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VIII Edición Programa de Redes de Investigación en Docencia Universitaria

Vicerrectorado de Planificación Estratégica y Calidad Memorias curso 2008/2009 Instituto de Ciencias de la Educación

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RED DE DOCENCIA EN INGENIERÍA ACÚSTICA



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MEMORIA DE LAS ACTIVIDADES DE LA RED DE DOCENCIA EN INGENIERÍA ACÚSTICA DURANTE EL CURSO 2008-09 Miembros de la RED

JAIME RAMIS SORIANO (Coordinador)

SERGIO BLEDA PEREZ, EVA MARIA CALZADO ESTEPA, DAVID DEL ROSARIO GILABERT,

JORGE FRANCES MONLLOR, SANTIAGO HEREDIA AVALOS,

DAVID ISRAEL MENDEZ ALCARAZ, MARIA JESUS PALENCIA ABELLAN, MIGUEL ANGEL TORRES MANRESA,

IGOR VRAGOVIC, MARIA SOLEDADYEBRA CALLEJA,

Planteamiento Dada la peculiaridad del trabajo llevado a cabo, se ha optado por organizar la memoria de acuerdo con la siguiente estructura:

1. Objeto y antecedentes. 2. Proceso de colaboración y metodología. 3. Resultados. 4. Conclusiones

Anexo 1. Material correspondiente a la práctica “Caracterización de componentes acústicos” (Electroacústica -2º curso de ITT. Especialidad Sonido e Imagen). 1. OBJETO Y ANTEDEDENTES El proyecto tiene como objetivo general: Elaboración de materiales curriculares para el desarrollo de las guías docentes en la docencia presencial y no presencial de materias en el área de Ingeniería Acústica. Dicho de otra forma, se trata de preparar material docente para las asignaturas del área de Ingeniería Acústica impartidas por el Departamento de Física, Ingeniería de Sistemas y Teoría de la Señal de la Universidad de Alicante, de acuerdo con las guías docentes que hayan sido implementadas en su caso. El proyecto (Elaboración de materiales curriculares para el desarrollo de las guías docentes en la docencia presencial y no presencial) se justifica por:

1. El curso 2006-07 se llevó a cabo una primera versión de la Guía docente de la asignatura ELECTROACÚSTICA que, en el Plan de Estudios de la UA, abarca 18 créditos.



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2. Durante el curso 2007-08 se lleva a cabo una investigación en el contexto de este mismo programa (REDES). Los principales logros de esta red fueron:

- La preparación de las prácticas de la asignatura Acústica de primer curso de ITT de Sonido e Imagen

- Una primera versión de las prácticas de las asignaturas Electroacústica, Acondicionamiento Acústico y Tratamiento Digital de Audio que, junto con la mencionada más arriba conforman el área de Ingeniería Acústica en la titulación de ITT-Especialidad de Sonido e Imagen.

Hay que tener presente que, en el contexto de la nueva ordenación de titulaciones, es muy probable que la titulación por la que se opte en la EPSA, sea una relacionada con la que se imparte actualmente (ITT Especialidad de Sonido e Imagen). Dado que el área de ingeniería acústica, debe estar presente en esta titulación, es de gran interés generar material docente enfocado en esta dirección.

Por otra parte, la problemática de la acústica en diferentes ámbitos de la edificación, hace que sea un tema de gran interés para arquitectos (superiores y técnicos), ingenieros de obras públicas y otras titulaciones. De hecho, el Departamento de Física, Ingeniería de Sistemas y Teoría de la Señal, tiene encomendada la docencia de diversas material en las citadas titulaciones relacionados con la acústica de la edificación. Una de estas materias es la denominada “Aislamiento y Acondicionamiento Acústico” objeto de interés en este proyecto. Titulación y asignaturas donde se ha implementado la investigación docente: Aunque los resultados serán aplicables a cualquier titulación, el punto de partida son las guías docentes y los temarios de cuatro asignaturas 1.1. ASIGNATURA: Acondicionamiento Acústico 1.2. CODIGO ASIGNATURA: 7062 1.3. TIPO (TRONCAL, OBLIGATORIA,OPTATIVA,...): OPTATIVA 2.1. ASIGNATURA: Aislamiento Acústico 2.2. CODIGO ASIGNATURA: 7063 2.3. TIPO (TRONCAL, OBLIGATORIA, OPTATIVA,...): OPTATIVA 3.1. ASIGNATURA: Electroacústica 3.2. CODIGO ASIGNATURA: 7036 3.3. TIPO (TRONCAL, OBLIGATORIA, OPTATIVA,...): Troncal 4.1. ASIGNATURA: Aislamiento y Acondicionamiento Acústico 4.2. CODIGO ASIGNATURA: 7002 4.3. TIPO (TRONCAL, OBLIGATORIA, OPTATIVA,...): Optativa De las tres primeras ya se ha elaborado la guia docente. Las tres primeras pertenecen a la titulación de ITT Especialidad de Sonido e Imagen y la cuarta a la Arquitécto Técnico. La única troncal es la tercera



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2. PROCESO DE COLABORACIÓN Y METODOLOGÍA: Con una periodicidad aproximadamente quincenal, los profesores y alumnos involucrados en el proyecto, discutirán sobre los contenidos a abordar así como la redacción y presentación de los mismos en las clases prácticas.

La metodología que se ha intentado seguir para la confección de materiales consiste en una adaptación de la sugerida en [1], siendo las prácticas de laboratorio el objeto principal de trabajo. En todo momento se intentará:

a) Sugerir pautas para una recuperación de los preconceptos y/o para la evaluación inicial

b) Promover la motivación y conectar con la realidad

c) Ayudar a valorar positivamente el tema y crear expectativas positivas

d) Plantear interrogantes

e) Crear conflictos cognitivos que desemboquen en “conmociones”

f) Proponer actividades de búsqueda de información

g) Sugerir pautas para comprender aplicaciones profesionales

3. RESULTADOS Los objetivos esperados, tal como se definieron en su día eran:

Se espera implementar material docente relacionado con las siguientes prácticas (correspondientes a las cuatro materias que se toman como base): 1.1. ASIGNATURA: Acondicionamiento Acústico 1.2. CODIGO ASIGNATURA: 7062 1.3. TIPO (TRONCAL, OBLIGATORIA,OPTATIVA,...): OPTATIVA P1. Medida del tiempo de reverberación de un recinto P2 Tiempo de reverberación en salas acopladas P3. Absorción cámara reverberante. Modelos a escala P4. Obtención respuesta impulso de una sala P5. Parámetros acústicos monoaurales de salas obtenidos a partir de la respuesta al impulso. P6. Introducción a los programas de simulación (1/2) P7



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A. Caracterización de materiales porosos y fibrosos desde el punto de vista acústico B. Materiales viscoelásticos desde el punto de vista acústico P8. Parámetros binaurales P9. Introducción a los programas de simulación (2/2) 2.1. ASIGNATURA: Aislamiento Acústico 2.2. CODIGO ASIGNATURA: 7063 2.3. TIPO (TRONCAL, OBLIGATORIA, OPTATIVA,...): OPTATIVA P1. Análisis de muestras sonoras. P2. Medidas del aislamiento a ruido aéreo P3. Medidas del aislamiento a ruido de impacto P4. Curvas NC. P5. Normativa general. P6. Realización de un proyecto de aislamiento acústico mediante cálculo P7. Proyectos de aislamiento acústico según el Código Técnico de la edificación (CTE). P8. Aislamiento a ruido de vibraciones. 3.1. ASIGNATURA: Electroacústica 3.2. CODIGO ASIGNATURA: 7036 3.3. TIPO (TRONCAL, OBLIGATORIA, OPTATIVA,...): Troncal En esta asignatura sólo se trabajarán algunas de las prácticas, cuya memoria y planteamiento pensamos que puede mejorarse. En concreto: P7. Calibración de micrófonos. La técnica de calibración por reciprocidad

P8. Filtros pasivos para altavoces

P9. Técnica de medidas electroacústicas en campo cercano. Aplicación a un sistema de dos o tres vias.

P10. Introducción al diseño de recintos acústicos mediante programas de simulación.

Caja cerrada. Bass-Reflex. Activo-Pasivo. Paso Banda

P11. Altavoces de radiación indirecta

11.1. Caracterización de un altavoz de radiación indirecta en un tubo de onda plana.

11.2. Medida de la impedancia acústica de una bocina

P12. Sistemas de sonorización: Line Array

4.1. ASIGNATURA: Aislamiento y Acondicionamiento Acústico 4.2. CODIGO ASIGNATURA: 7002 4.3. TIPO (TRONCAL, OBLIGATORIA, OPTATIVA,...): Optativa P1. MEDIDA Y ANÁLISIS DEL SONIDO

P2. PROPAGACIÓN DEL SONIDO EN EXTERIORES



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P3. DETERMINACIÓN DEL COEFICIENTE DE ABSORCIÓN DE UN MATERIAL

P4. MEDIDA DEL TIEMPO DE REVERBERACIÓN DE UNA SALA

P5. MEDIDA DEL AISLAMIENTO A RUIDO AÉREO

P6. MEDIDA DEL AISLAMIENTO A RUIDO DE IMPACTO

P7. PREDICCIÓN DEL AISLAMIENTO A RUIDO AÉREO

P8. MEDIDAS DE VIBRACIONES

P9. OBTENCIÓN DE LA PREDICCIÓN DE AISLAMIENTO SEGÚN CTE

Los objetivos, tal como se formularon, se han conseguido. A modo de ejemplo, en el Anexo 1 se presenta parte del material generado correspondiente una memoria de las prácticas formuladas.

4. CONCLUSIONES/DIFICULTADES/PROPUESTAS DE MEJORA. PREVISIÓN DE CONTINUIDAD.

Con la finalización de este proyecto se puede dar por terminada una etapa de

estructuración básica de contenidos básicos en las prácticas de laboratorio correspondientes al área de Ingeniería Acústica.

Los objetivos del proyecto eran realistas que se ha llevado a cabo durante dos años eran realistas y esto ha contribuido a que no hubiera grandes dificultades. Quizá, si hubiera que señalar alguna, es la correspondiente a los propios contenidos.

A partir de este momento, a mi modo de entender, se impone la necesidad de de profundización y especialización y, por tanto, debería comenzar una nueva fase en la que se discutieran estrategias de aprendizaje en temas concretos que deberían estar relacionados con la investigación.

La experiencia llevada a cabo durante estos dos años ha sido provechosa y fructífera ya que, como se ha señalado más arriba, se han estructurado contenidos básicos de prácticas de laboratorio.

San Vicente del Raspeig, a 30 de junio de 2009. Fdo: Jaime Ramis Soriano

Referencias bibliográficas

[1] - Parcerisa Aran, A. (1996). Materiales curriculares. Cómo elaborarlos, seleccionarlos y usarlos. Barcelona: Editorial Graó.



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Anexo 1. Práctica: Caracterización de componentes acústicos (Electroacústica -2º curso de ITT. Especialidad Sonido e Imagen). Para afrontar la práctica se manejan tres documentos:

1. Fundamentos, donde se recogen las principales relaciones entre las variables que definen el campo acústico en el interior de un tubo. Se trata de contenidos que el estudiante ya ha utilizado con anterioridad. En el caso que nos ocupa se trata de un capítulo de cualquier libro que trate el problema de “Ondas sonoras en tubos”. Por limitaciones de espacio de esta memoria no creemos necesario aportar la documentación que normalmente se facilita al estudiante.

2. La memoria de la práctica propiamente dicha, donde se especifica el procedimiento a seguir por el estudiante en el laboratorio. Este documento se facilita completo

3. Preparación de la sesión, que normalmente es un documento en transparencias que presenta y comenta el profesor al iniciar la sesión. Para la confección de esta memoria, se han escogido las imágenes más representativas de esta presentación



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Memoria de la práctica Caracterización de componentes acústicos. Impedancia

acústica de una bocina

OBJETIVOS

Conocer las técnicas experimentales para determinar la impedancia acústica de

componentes acústicos.

Se distinguirá la impedancia acústica de un tubo abierto y cerrado, y se analizará la

impedancia de una bocina.

1. INTRODUCCIÓN TEÓRICA

La impedancia acústica de entrada de un elemento acústico representa la respuesta del

medio acústico en la propagación de una onda sonora. Esta magnitud física viene

definida por el cociente entre la presión y la velocidad de la partícula en el plano de

referencia de entrada (x=0):

0=

=xu

pZ (1)

Figura 1: Tubo de longitud L.

Si el tubo está abierto, la presión en x = L es nula mientras que la velocidad es máxima,

por lo que ZL = 0. Si el tubo es cerrado, la velocidad es nula y la presión es máxima, por

lo que en este caso ZL� ∞.

En ambos casos, la expresión general de la impedancia acústica de entrada se simplifica.

Para el tubo abierto de longitud l se tiene la ecuación 2.

( )kljZZ abierto tan0= (2)

La impedancia acústica de entrada en un tubo de longitud l cerrado es:

( )kljZZ cerrado cot0= (3)



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En las dos ecuaciones k representa el número de onda, y Z0 la impedancia específica del

medio, que en un tubo es:

S

cZ 0

0

ρ= (4)

donde ρ0 es la densidad del medio, c la velocidad de propagación, y S el área de la

sección del tubo.

Figura 2: Impedancia acústica de entrada del tubo abierto y cerrado.

La Figura 2 muestra el módulo de la impedancia acústica de entrada de ambos tubos

(abierto y cerrado). Se puede ver que los máximos y mínimos de ambas funciones están

desfasados unos respecto de los otros.

Las expresiones anteriores corresponden a sistemas conservativos. Sin embargo existen

diferentes mecanismos de disipación de la energía que deben ser tenidos en cuenta.

Cuando se considera un tubo abierto, el medio externo ejerce un efecto de carga sobre el

volumen de aire interno. Dicho fenómeno se traduce en un efecto de radiación que

altera la impedancia acústica de entrada del elemento acústico. En otras palabras, el

hecho de radiar en un plano infinito o en un tubo de un cierto espesor va a cambiar la

impedancia de entrada. El efecto de radiación puede ser tenido en cuenta mediante una

corrección de longitud del tubo en la expresión de la impedancia acústica de entrada:

Kall +=' (5)



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donde la longitud efectiva l’ depende de la longitud del tubo l, el radio del tubo a, y un

factor de radiación K que varia entre 0,6133 para un tubo sin espesor, hasta 0,85 para un

tubo que radia sobre un plano infinito.

Muchos de los métodos de medida de la impedancia acústica de entrada se basan en la

determinación experimental de las dos magnitudes que la definen. Es decir, de un sensor

de velocidad volumétrica y un micrófono para medir la presión en el plano de entrada.

Sin embargo, existe otro método que utiliza la relación de las señales registradas por dos

micrófonos. Este método es el que desarrollaremos en esta práctica. El esquema de

montaje básico se muestra en la Figura 3.

Figura 3: Esquema del montaje.

El elemento a caracterizar se coloca en el extremo del tubo de medida. La fuente es un

altavoz. Como señal de prueba se puede utilizar secuencias tipo MLS o ruido blanco. La

señal de presión en dos puntos (x1 y x2) se registra mediante dos micrófonos (ver

detalles en figuras 8 y 9) . La onda acústica puede ser descrita como una onda cuasi-

estacionaria que se propaga en el eje de las x:

( ) ( )jkxjkx eReAxp ⋅+⋅= −

0,ω (6)

donde R0 es el coeficiente de reflexión.

Teniendo en cuenta que la función de transferencia H12(ω) entre los dos micrófonos es

la que aparece en la siguiente ecuación

)(

)(

)(

)()(

11

22

0

0

1

212 jkxjkx

jkxjkx

eReA

eReA

p

pH

+

+==

−

−

ω

ωω (7)

se puede obtener el coeficiente de reflexión en el plano de referencia como



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)(

)(

12

1220

ω

ω

He

eHeR

xjk

xjkkdj

−

−=

∆⋅

∆⋅−

(8)

siendo ∆x la distancia entre los dos micrófonos y d la distancia entre el micrófono más

alejado del elemento de medida y el plano de referencia.

Conocemos así, la impedancia de entrada del elemento acústico utilizado:

0

0

0 1

1

R

R

c

Zn

−

+=

ρ (9)

El rango de frecuencias de trabajo está limitado por las dimensiones del tubo y por las

posiciones de los micrófonos.

La frecuencia mínima de validez del método viene determinada por la longitud del tubo.

Existen determinadas frecuencias críticas para las cuales el método de medida presenta

problemas. Estas frecuencias son aquellas en que la separación entre micrófonos es

múltiplo entero de media longitud de onda. Para evitar estos problemas hasta una

frecuencia fc, se elige una separación entre micrófonos s que cumpla

cf

cs

⋅≤2

(10)

Los resultados experimentales muestran que la medida únicamente da valores válidos en

el rango [0,3 fc – 0,8 fc], siendo fc la frecuencia crítica.

Para poder abarcar un rango mayor de frecuencias se utilizan diferentes pares de micros.

Para el tubo de la Figura 4, el rango válido de frecuencias se ha calculado en la Tabla 1.

Figura 4: Tubo de medida con varias posiciones de micrófono.

Configuración Posiciones de micrófonos

Distancia entre micros

(cm)

Frecuencia crítica fc

(Hz)

Banda útil (Hz) [0,3 fc –

0,8 fc] I p2 y p3 3,2 5312 [1593 4249] II p1 y p3 8,1 2098 [629 1678] III p1 y p2 4,9 3470 [1041 2776]



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Tabla 1: Frecuencia crítica y banda útil para cada posición.

2. EQUIPO NECESARIO

Para las medidas que se pretenden realizar se necesita un ordenador personal con una

tarjeta de sonido y el software adecuado (en nuestro caso, los datos se tratarán en

Matlab), micrófonos de medida, tubos de medida (ver fotografías de la figura 8 y 9).

La función de transferencia entre los dos micrófonos se obtiene a partir de la respuesta

al impulso para cada uno de ellos. El software que se utiliza guarda la respuesta al

impulso como una tabla de dos filas (una para cada micro) en un archivo “.mat”. El

programa Matlab recupera los datos con las siguientes órdenes:

>>load prueba.mat % cargamos la matriz de datos (data)

>>p1=data(1,:); % primera fila de la matriz (mic1)

>>p2=data(2,:); % segunda fila de la matriz (mic2)

La función “z_ac_es.m” calcula y representa la impedancia acústica de entrada al

elemento.

Las funciones “z_ac_closed_pipe.m” y “z_ac_open_pipe.m” representan la impedancia

acústica teórica del tubo cerrado y abierto respectivamente.

También se puede utilizar el analizador de espectros, el cual calcula directamente la

función de transferencia entre los dos canales de entrada.

3. TRABAJO A REALIZAR

Realizar la medida de la respuesta al impulso para cada una de las dos posiciones de

micrófono en las tres combinaciones, para abarcar un mayor rango de frecuencias. A

partir de las medidas realizadas, calcular la impedancia de entrada del componente.

Caracteriza de esta forma tres elementos: tubo abierto de longitud conocida, tubo

cerrado de iguales dimensiones y bocina de sección transversal exponencial.

4. EJEMPLO DE REALIZACIÓN



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Realizamos el ensayo en el laboratorio, y guardamos los resultados de las respuestas al

impulso. Utilizamos el tubo de la Figura 4, de radio 4 cm, con las tres configuraciones

de la Tabla 1.

En cada configuración el micrófono 1 (mic1) ocupa la posición más alejada del extremo

del tubo. Por ejemplo, en la configuración I el mic1 está en la posición p2, mientras

que el mic2 se encuentra en la posición p3.

Las medidas para la primera configuración del tubo abierto las guardamos en

“i_TA.mat”. En las Figuras 5 y 6 representamos la impedancia medida, y la teórica. Las

instrucciones introducidas en matlab son las siguientes:

>> load i_TA.mat;

>> p1=data(1,:);

>> p2=data(2,:);

>> [f,Zae]=z_ac_es(p1,p2,0.102,0.07,0.04,48000);

>> hold on

>> [f,Z]=z_ac_open_pipe(0.12,0.04,300,0.6133);

>> legend('medida','teoria');

Teniendo en cuenta el rango de validez de cada configuración, hemos construido la

Figura 5 para la impedancia del tubo abierto, la Figura 6 para el tubo cerrado, y

finalmente la Figura 7 para la bocina.



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Figura 5: Impedancia del tubo abierto.

Figura 6: Impedancia del tubo cerrado.

Figura 7: Impedancia de una bocina.

REFERENCIAS

[1] Acoustical impedance measurements by the two microphone three calibration

(TMTC) method, V. Gibiat, F. Laloe, JASA nº 6 vol 88, 1990.

[2] Wideband measurement of the acoustic impedance of tubular obects, M. Van

Walstijn, Acta Acoustica, 2004.



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Preparación de la sesión

Al inicio de la sesión de prácticas, el profesor presenta el equipo y el software a

utilizar. En la figura 8 se presentan los tubos con indicaciones para la colocación de

micrófonos y fuentes sonoras.

AQUÍ SE COLOCAN EL/LOS MICRÓFONOS)

AQUÍ SE INSTALA UNA FUENTE SONORA

AQUÍ SE INSTALA EL DISPOSITIVO QUE SE QUIERE CARACTERIZAR

AQUÍ SE COLOCAN EL/LOS MICRÓFONOS)

AQUÍ SE INSTALA UNA FUENTE SONORA

AQUÍ SE INSTALA EL DISPOSITIVO QUE SE QUIERE CARACTERIZAR

Figura 8

En la figura 9 se muestra la pantalla principal del software desarrollado para la

visualización de los resultados de las medidas y realizar comparativas con las respuestas

de tubos abiertos y/o cerrados.



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Figura 9 Por último, en la figura 10 se muestran algunas de los componentes acústicos (bocinas) cuya caracterización es objeto de esta práctica y algunos accesorios y detalles del montaje.

Figura 10

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